蓝相液晶技术简单介绍V2.0

1/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰V2.02013/7/1蓝相液晶技术简单介绍2/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰25℃温度低高＞Tni-40℃Nematic向列相Isotropic各向同性Crystal晶体3/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰胆固醇苯甲酸酯145.5℃Δ乳白色粘稠液体178.5℃Δ完全透明液体冷却冷却液晶的发展史液晶的发展史可分为下列阶段：1）1888年植物学家F.Reinitzer,Monatsh（莱尼茨尔）观察花粉运动，发现液晶安息香酸胆固醇酯(Cholesterylbenzoate)进而发现：由此发现热致液晶——在热的作用下产生一种液晶相态。法国人OttoLehmann（奧托·雷曼1855-1922年）用偏光显微镜确定此中间相态具有光学各向异性：兼有液体的流动性和晶体的光学各向异性——命名为液晶。Lehmann因发现液晶及性能的研究，多次获得诺贝尔奖。2）性质研究：本世纪20~70年代合成了大量的液晶材料：初期为氧化偶氮茴香醚和苯乙醚等液晶物理性质的研究：液晶相态的划分液晶连续体理论的创立（1958年）介电各向异性（1926~1932年）向列相的变形和阈值（1927年）摩擦法制备单畴液晶并研究光学各向异性4/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰3）应用研究：1960~1968年Ch液晶的光选择性反射——热图术，用于测温。1968年，合成室温液晶材料——MBBA，发现DS显示器件（动态闪射，USA）GH显示器件（USA）ECB显示模式（电控双折射）4）实用阶段TN-LCD1971年发现，瑞士。1972年完成无缺陷显示板并迅速工业化原因：5CB的合成（byGray,England）STN-LCD1983年增大显示容量、显示面积、提高易读性、全色化FLC1980~1983年AM-LCDα—SiTFT1979年、英国p—SiTFT1984年、日本MIM1980年、加拿大这些技术在1985~1987年相继实用化。5/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰液晶：具有固态（结晶）规则性和液态流动性的物质。（中间相：mesophase）液晶材料的性质和构造物质的3种形态气体：分子配列是随机的液体：长距离方向的秩序消失了固体：在3个方向（维）上都长程有序在1个或2个方向（维）上长程有序=液晶6/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰在1个方向上结晶在2个方向上液体↓Nematic向列相在2个方向上结晶在1个方向上液体↓Smectic近晶相相概念：在空间的一样性阶段的消失？各向同性液体中间相固体結晶融点透明点在3个方向上结晶通常的结晶（相）在2个方向上结晶在1个方向上液体中间相在1个方向上结晶在2个方向上液体在3个方向上液体通常的液体（相）位置无序取向无序位置严格有序取向有序位置部分有序取向有序位置无序取向有序7/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰各形态宏观性质比较相态体积保持性形状保持性可压缩性流动性各向异性晶态○○××○液晶态○××○○液态○○×○×气态××○○×各形态微观性质比较相态位置有序取向有序分子间距晶态○○小液晶态×○小液态××小气态××大8/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰蓝相液晶的发展史早在1888年Reinitzer在CholesterylBenzoate首度发现不寻常液晶现象时，就曾在降温中观察到澄清转换至雾态的过程中出现蓝色的反光，不过直至20世纪才被鉴定出是一种至少拥有两种流体晶格（FluidLattice）的新液晶形态---蓝相液晶（BluePhaseLiquidCrystal，BPLC）。蓝相存在于胆固醇相与澄清相（Helical-isotropic）间一个很狭窄的温度范围（约0.5~2℃），形态分成三种，按温度由低至高分别定义为BPⅠ、BPⅡ和BPⅢ，分别具有体心立方、简单立方和等方对称结构。BPⅠ、BPⅡ的晶胞的晶格常数通常为几百纳米，所以该相态对紫外---可见区显示出布拉格衍射特性。“蓝相”这个词就来源于衍射光的颜色，许多蓝相液晶能显示出蓝色，而有些则不显示。向列相液晶在电场下的光电效应是分子的转向所致，蓝相液晶则是蓝相晶胞的微小形变或分子的电子云形状的改变所致，因此响应速度达到了亚毫秒级。2008SID三星推出世界上第一台15寸蓝相TFT-LCD，由此带动了一波蓝相液晶研究热潮。它的画面更新频率可达240Hz。相较于传统技术，蓝相模式液晶面板拥有比OCB模式更快的超高速响应、比IPS模式更宽的超宽视角，以及可与CRT及PDP媲美的优势。9/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰蓝相液晶的空间结构通常向列相液晶分子是朝着一个方向排列的，胆甾相若干层向列相分子沿着螺旋轴x做周期性的旋转，蓝相除了沿着螺旋轴x做周期性的旋转外，还沿着螺旋轴y做周期性的旋转90°左右，因此是双扭曲结构。xyyyxx10/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰蓝相液晶的空间层结构胆甾相液晶蓝相液晶y方向x方向y方向x方向11/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰蓝相液晶的晶胞组成h2h112/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰蓝相BPⅠ、BPⅡ、BPⅢ结构BPⅠ体心立方Body-centeredCubicBPⅡ简单立方SimpleCubicBPⅢ等方对称（雾相/灰相）Amorphous(FogPhase)结构相错分布照片13/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰蓝相BPII结构BPII的双扭曲结构与液晶指向矢方向示意图一个边长=P0/2(无手性Pitch，P0=270.4nm，晶胞尺寸=135.2nm)的BPII晶胞内的分子排列示意图。ISSN0097-966X/11/4201-0294~297，H.Wöhler，2011SID14/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰克尔效应诱导双折射率蓝相液晶具有三维周期性螺旋结构，并且在聚合物稳定的情况下，螺旋轴方向不固定，因此液晶相整体为各向同性相，夹在正交偏光片之间，表现出黑态。在偏光片光轴对角线方向加电场，可以使液晶分子在这个方向上有优先取向，从而在此方向上表现出液晶的光轴来，也就是在此方向上形成光学双折射现象。向列相液晶nenono各向异性加电场noneno各向异性~5ms蓝相液晶nxnzny各向同性拉长加电场nonenoE各向异性1ms旋转15/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰蓝相液晶的工作原理蓝相液晶的工作原理基于克尔效应。将蓝相液晶置于两平行电极板之间就构成一个克尔盒，外加电场通过平行电极板作用在蓝相液晶上。在外电场作用下，蓝相液晶就变为光学上的单轴晶体，其光轴方向与电场方向平行。当线偏振光以垂直于电场的方向通过蓝相液晶时，将分解为两束线偏振光，一束的光矢量沿着电场方向，另一束的光矢量与电场方向垂直。它们的折射率分别称为正常折射率no与反常折射率ne。蓝相液晶是正或负双折射物质，取决于ne-no为正值或负值。Δn=ne-no=λKE2式中，λ是入射光的波长，K是克尔常数，E是外加电场。由于蓝相液晶有较强的克尔效应，所以公式只适用于未饱和前的较小电场情况。但是克尔盒的结构是不适用于显示器的，因为按标准克尔盒结构，电压是加在两平行电极板之间的，即电场是垂直于电极板的，入射光要与电场垂直，必须从两平行电极板之间入射。作为显示器，入射光是垂直于两平行透明电极板入射的。要产生与入射光垂直的电场，只能将平行电极制作在下透明电极板上。为了增强电场，每组平行电极必须靠得很近，即做成如共平面开关结构液晶盒中的交叉指电极结构。在液晶盒上、下各置一片偏振方向互相垂直的偏振片，当液晶盒上无电场时，蓝相液晶的表现如同一个各向同性介质，与上偏振片偏振方向相同的入射偏振光不能透过液晶盒，呈现一个黑背景；当液晶盒上加有电场时，蓝相液晶的表现如同一个具有双折射特性的单轴晶体，其Δn随外加电场的平方而增加，透过的光强度也随之增加，达到利用蓝相液晶的克尔效应，用外电场实现调光的目的。这类器件透射率T与相位延迟的关系如下：T=sin22Ψsin2(πdiΔni(V)/λ)式中，Ψ是蓝相液晶的光学轴与偏振片的一个透射轴之间的夹角，di是蓝相液晶层中有效双折射的厚度。为了获得最大的透射率，Ψ应取45°，diΔni应等于λ/2。16/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰蓝相液晶的工作原理ISSN0097-966X/11/4201-0298~0301,Y.-H.Kim,2011SID偏光板玻璃共通电极像素电极玻璃偏光板垂直电场模式BPLC盒：关态偏光板玻璃玻璃偏光板面内开关电场模式BPLC盒：关态面内开关电场模式BPLC盒：开态偏光板玻璃电场玻璃偏光板偏光板玻璃共通电极电场像素电极玻璃偏光板垂直电场模式BPLC盒：开态17/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰聚合物稳定蓝相液晶-PS-BPLC(Polymer-Stabilized-BluePhaseLiquidCrystal)由于蓝相时液晶分子的排列不稳定，液晶的蓝相存在的温度范围只有1~3℃，无法制备显示器件。通过使用高分子网络占据向错空间、稳定蓝相分子的排列，可以使蓝相的存在温度范围达到60℃（-10~50℃）。聚合物相错（无序区域）光聚合有序区域温度/K聚合比例/mol%温度（℃）热容量（Cp/R）18/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰聚合物蓝相液晶-PS-BPLC在长时间电场作用下，高分子网络会产生一定的形变，影响显示特性的稳定性。通过非液晶性的质子受体和给体之间的氢键作用制备蓝相液晶材料；并通过分子侧向基团的氢键作用，进一步稳定蓝相液晶的分子排列。WanliHe,HuaiYang*,etal.，Adv.Mater.,2009,21(20):2050-2053.双扭曲圆柱19/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰克尔效应(Kerreffect)放在电场中的物质，由于其分子受到电力的作用而发生取向（偏转），呈现各向异性，结果产生双折射，即沿两个不同方向，物质对光的折射能力有所不同，折射率的差正比于电场强度值的平方。这一现象是1875年由J•克尔发现的。后人称它为克尔电光效应，简称克尔效应。△nind：场致双折射率差λ：波长K：克尔常数E：电场强度△n：场致双折射率差△ε：介电各向异性常数差ε0：真空介电常数k：液晶弹性常数P：螺距20/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰蓝相液晶的响应速度τrise：上升时间τdecay：下降时间γ1：旋转粘度△ε：介电各向异性常数差ε0：真空介电常数V：施加电压Vc：临界电压E：电场强度Ec：临界强度K22：q：上升时间与驱动电压相关，下降时间与临界电压相关。KMChen,etal.JDTLett.6,49‐51(Feb.2010)21/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰蓝相液晶的辉阶-辉阶响应速度Vc=42.8Vrms，τdecay=316usISSN0097-966X/10/4101-0173~176，K.-M.Chen，2010SID22/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰蓝相液晶显示装置模型Z.Ge,etal,Appl.Phys.Lett.94,101104(March10,2009).Z.Ge,etal,J.DisplayTechnology,5,250‐256(July,2009).23/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰透过率对盒厚不敏感对于给定的电极结构，透过率对于盒厚不敏感，电极宽度下降，Von下降，透过率也会下降。ISSN0097-966X/10/4101-0077~79，L.Rao，2010SID24/35信息来源已公开资料，仅供学习与交流，技术开发焦峰宽